EL测试常见缺陷分析

摘要：

基于电致发光（Electroluminescence,EL）的理论，本文介绍了利用近红外检测的方法，检测出了晶体硅太阳电池和组件内部常见的隐性缺陷。这些缺陷包括：材料缺陷、高温扩散缺陷、金属化缺陷、高温烧结缺陷、工艺诱生污染以及生产过程中的裂纹等，并简要分析了造成这些缺陷的原因，通过EL测试可以发现以往常规手段难以发现的品质缺陷，对电池品质提升大有裨益。

0引言

　　随着光伏行业的迅猛发展，光伏产业已经度过了野蛮生长阶段，光伏产品的质量要求也在不断提高，光伏组件质量控制环节中测试手段的不断增强，原来的成品外观检验和电性能基础测试已无法满足行业的对产品质量的需求。目前EL测试设备已经被大部分光伏制造企业应用于晶体硅太阳电池及组件生产线，用于成品检验或在线产品质量控制，EL是英文electroluminescence的简写，中文叫做电致发光或场致发光。

1EL测试的原理

　　在晶硅电池内部，只有少子的扩散长度大于势垒宽度，电子和空穴才能通过势垒区时而不会因复合而消失。正向偏置电压下，p-n结势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理[1]（见图1[2]）。ELTester测试的原理：在暗室中，对晶硅电池外加正向偏置电压，其目的是向晶硅电池注入大量非平衡载流子，并依靠从扩散区注入的非平衡载流子不断地复合，产生光子。再利用噪音小，且在900-1100nm光谱范围内具有较高灵敏度的CCD相机捕获到部分光子，然后经过计算机进行处理后，以图像的形式显示出来。[3]（见图2）。

　　EL测试图像的明暗度与电池片的少子扩散长度和电流密度成正比（见图3[4]），当晶硅太阳电池内部存在缺陷时，其少子寿命分布会出现明显差异，从而导致图像显示存在明暗差异。通过对EL测试图像分析可以及时清晰的发现晶硅电池及组件内部存在的隐性缺陷，这些缺陷包括硅材料缺陷（位错、层错、参杂异常）、扩散缺陷（方阻不均匀）、印刷缺陷（断栅、虚印）、烧结缺陷（履带印）、工艺污染以及组件封装过程中的隐形裂纹等。

2EL测试常见缺陷及分析

　　2.1破片
　　由于晶硅电池破裂后，电流在其破裂区域无法形成回路，从而导致该区域在EL测试图像中显示局部不发光，因此破片在EL测试图像中表现为电池片中有不规则黑块（见图4）。电池生产过程中破片主要集中在测试分选工序，可通过人工分选将其剔出。
　　2.2隐裂
　　由于硅材料本身比较脆，易碎，因此在晶硅电池生产和组件封装过程中极易产生裂纹。裂纹一般分两种，显裂和隐裂。显裂是可以通过肉眼直接看到的明显裂纹，在电池生产过程中可通过人工分选挑除；隐裂一般是由于电池片受到热应力或外力等使其内部产生细裂纹。隐裂片的成像特点是裂纹在EL测试下产生明显的明暗差异的纹路（黑线）（见图5），隐性裂纹是无法通过肉眼直接看到的，并且在组件的制程过程中更容易引起破片、隐裂等问题。因此EL测试成为了生产中监测隐裂片的重要手段，通常在组件层压前工序及时将隐裂片更换，可减少组件成品不良。

　　2.3断栅
　　随着光伏行业的迅猛发展，高阻密栅、栅线细化已成为目前常规电池发展的方向。而为了进一步提高电池的转换效率，银浆也在沿着高粘度，塑性好的方向在发展，这也导致了电池片的印刷难度增加。电池片的断栅主要是由于电池片在金属印刷过程中由于细栅断点或细栅缺失，造成细栅线与主栅线不能形成回路。从EL测试图中表现为沿电池片主栅线的暗线（见图6），这是因为电池正面的细栅线出现断点后，在EL测试过程中从电池片主栅线上注入的电流在未连接的细栅区域的电流密度很小甚至没有，从而导致电池片的未连接细栅处发光强度较弱或不发光，形成一条暗线。

　　2.4烧结缺陷
　　在电池片金属化过程中，烧结工艺没有优化或烧结设备存在缺陷时，生产出来的电池片在EL测试过程中会显示为类似履带印的图像（见图7）。实际生产中可通过优化烧结工艺参数或选择点接触及边缘接触方式的炉带以有效的消除履带印问题。

　　2.5黑芯、黑斑
　　黑芯片在EL测试图中显示为从电池片中心到边缘逐渐变亮的同心圆，它们产生于拉晶阶段，与硅棒制作过程中氧的溶解度和分凝系数大有关。黑斑片在EL测试图中成像黑斑点分布在电池片中，主要是由于硅料受到其他杂质的污染，使得硅片产生位错造成少数载流子的寿命降低，使电池片局部发黑（见图8）。此种材料缺陷势必导致晶硅电池的缺陷部分少子寿命小，从而导致电池片中有此类缺陷的部分在EL测试过程中表现为发光强度较弱或不发光，成黑色图像。

　　2.6漏电、击穿
　　漏电电池一般指电性能测试时，Irev2值（给电池加反向偏置电压-12V时的电流值）偏大的片子，一般规定Irev2＞2属于电性不良片。如图9所示，EL显示的较粗黑线表明该区域没有探测器可探测到的光子放出。其主要原因是烧结温度与扩散方阻不匹配导致PN结烧穿或者电池片镀膜面沾有铝浆烧结后导致PN结击穿。因此，EL测试时，给电池片加压后此处细栅与主栅不能形成回路，该区域显示为黑色。

3结论

　　EL（Electroluminescence）的检测方法，是利用了电致发光原理对晶硅太阳电池及组件施加正向偏压产生光子，并通过CCD相机捕获近红外光子，然后经过计算机处理形成可视图像来分析晶硅电池及组件内的缺陷。通过EL图像分析可准确判别晶硅太阳电池中可能存在的隐裂、断栅、电阻不匀、等缺陷，而这些缺陷均无法通过肉眼发现，因此通过EL测试是一种有效的检测晶硅太阳电池、组件的隐形缺陷，控制、分析质量的方法。

参考文献

[1]刘恩科,朱秉生,罗晋生等.半导体物理学[M].西安:西安交通大学出版社,1998:286.

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[3]P.Würfel,T.Trupke,and T.Puzzer.Diffusion lengths of siliconsolar cells from luminescence images[J].J.Appl. Phys,2007,101,123110[3]C.P.ChenAnalytical Determination of Critical Crack Size in SolarCellsJPL Publication 88-19[4] David Hinken,Klaus Ramspeck,Karsten B.

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[5]C.P.Chen,Analytical Determination of Critical Crack Size inSolar CellsJPL Publication 88-19[4].

[6]David Hinken,Klaus Ramspeck,Karsten Bothe.Series resistance imaging ofsolar cells by voltage dependent electroluminescence[J].J.Appl.Phys,2007,91,182104.

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高艳飞 申海超

来源：电气世界